Тема 5. Аккумуляторы ветроэнергетических установок (2 часа

Тема 5. Аккумуляторы ветроэнергетических установок (2 часа)
При создании конструкции автономной ВЭУ, большую роль играет тип
используемых аккумуляторов. Этот аспект в значительной мере влияет на стоимость
и эксплуатационные характеристики разрабатываемой ВЭУ. Ниже перечислены
наиболее популярные типы аккумуляторных батарей:
Свинцовые аккумуляторы (Pb). Реагентами в свинцовых аккумуляторах
служат диоксид свинца (PbO2) и свинец (Pb), электролитом - раствор серной
кислоты. Они также называются свинцово-кислотными аккумуляторами. Их
разделяют на четыре основные группы; стартерные, стационарные, тяговые и
портативные (герметизированные). В последние годы в основном используются
аккумуляторы, не требующие ухода. К недостаткам относят невысокие удельную
энергию и наработку, плохую сохранность заряда, выделение водорода. Обычно они
работают
в
режиме
непрерывного
подзаряда.
Относятся
к
недорогим
аккумуляторам.
Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd). Реагентами в никель-кадмиевых
аккумуляторах служат гидроксид никеля и кадмий, электролитом - раствор КОН,
поэтому они именуются щелочными аккумуляторами. Существуют три основных
вида никель-кадмиевых аккумуляторов: негерметичные с ламельными (ламельные
аккумуляторы) и спеченными электродами (безламельные аккумуляторы) и
герметичные. Наиболее дешевые ламельные никель-кадмиевые аккумуляторы
характеризуются плоской разрядной кривой, высокими ресурсом и прочностью, но
не низкой удельной энергией. Удельная энергия, скорость разряда Ni-Cd
аккумуляторов со спеченными электродами выше, они работоспособны при низких
температурах, но дороже, характеризуются эффектом памяти и способностью к
тепловому разгону.
Герметичные
Ni-Cd
аккумуляторы
характеризуются
горизонтальной
разрядной кривой, высокими скоростями разряда и способностью действовать при
низких температурах, но они дороже герметизированных свинцовых аккумуляторов
и
характеризуются
эффектом
памяти.
Недостатком
аккумуляторов является применение токсичного кадмия.
никель-кадмиевых
Никель-железные аккумуляторы. Вместо кадмия в этих аккумуляторах
используется железо. Из-за выделения водорода с самого начала заряда
аккумуляторы производят только в негерметичном варианте. Они дешевле никелькадмиевых аккумуляторов, не содержат токсичный кадмий, имеют длинный срок
службы и высокую механическую прочность. Однако они характеризуются высоким
саморазрядом, низкой отдачей по энергии, практически неработоспособны при
температуре ниже -10 °С.
Никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH). Активным материалом
отрицательного электрода является интерметаллид, обратимо сорбирующий
водород, т.е. фактически отрицательный электрод является водородным электродом,
у которого восстановленная форма водорода находится в абсорбированном
состоянии. Разрядная кривая Ni-MH аккумулятора аналогична кривой Ni-Cd
аккумулятора.
Удельная
аккумуляторов
в
1,5-2
емкость
раза
и
выше
энергия
удельной
никель-металлогидридных
энергии
никель-кадмиевых
аккумуляторов, кроме того, они не содержат токсичный кадмий. Изготавливаются в
герметичном исполнении цилиндрической, призматической и дисковой форм
Никель-цинковые аккумуляторы. Это щелочные аккумуляторы, у которых
отрицательный
электрод
-
цинковый.
Удельная
энергия
никель-цинковых
аккумуляторов примерно в 2 раза выше удельной энергии Ni-Cd аккумуляторов.
Они характеризуются горизонтальной разрядной кривой, высокой удельной
мощностью и относительно невысокой начальной ценой, однако ресурс их мал,
поэтому массового применения не имеют.
Серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы. Активными
материалами служат оксид серебра на положительном и цинк или кадмий - на
отрицательном электродах соответственно, электролитом является раствор щелочи.
Характеризуются
высокими
удельными
энергиями
и
мощностью,
низким
саморазрядом, но весьма дороги. Серебряно-цинковые аккумуляторы имеют
незначительный ресурс. Выпускаются в призматической и дисковой формах.
Никель-водородные
аккумуляторы.
Отрицательным
электродом
служит
пористый газодиффузионный электрод с платиновым катализатором, на котором
обратимо реагирует газообразный водород. Характеризуются высокой удельной
энергией и очень высоким ресурсом, но значительным саморазрядом и очень
дороги.
Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion). В качестве отрицательного электрода
применяется углеродистый материал, в который обратимо внедряются ионы лития.
Активным материалом положительного электрода обычно служит оксид кобальта, в
который также обратимо внедряются ионы лития. Электролитом является раствор
соли лития в неводном апротонном растворителе. Аккумуляторы имеют высокую
удельную энергию, высокий ресурс и способны работать при низких температурах.
Благодаря высокой удельной энергии их производство в последние годы резко
увеличилось. Выпускаются в цилиндрической и призматической формах.
Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol). Анодом служит углеродистый
материал, в который обратимо внедряются ионы лития. Активными материалами
положительных электродов являются оксиды ванадия, кобальта или марганца.
Электролитом является или раствор соли лития в неводных апротонных
растворителях, заключенный в микропористую полимерную матрицу, или полимер
(полиакрилонитрил,
полиметилметакрилат,
поливинилхлорид
либо
другие),
пластифицированный раствором соли лития в апротонном растворителе (гельполимерный электролит). По сравнению с литий-ионными аккумуляторами литийполимерные аккумуляторы имеют более высокие удельную энергию и ресурс и
лучшую безопасность.
Перезаряжаемые
марганцево-цинковые
источники
тока.
Первичные
цилиндрические марганцево-цинковые источники тока с щелочным электролитом
определенного
состава,
изготовленные
по
специальной
технологии,
могут
электрически перезаряжаться. Они характеризуются высокой удельной энергией,
малым саморазрядом и невысокой стоимостью, выпускаются в герметичном
исполнении, однако имеют очень малый ресурс (до 25-50 циклов), небольшую
скорость разряда и наклонную разрядную кривую. Возможность перезаряда такого
марганцево-цинкового источники тока отдельно оговаривается производителем.
Характеристики аккумуляторов.
С повышением скорости разряда емкость аккумуляторов уменьшается, причем
в минимальной степени у Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов. Емкость также снижается
при понижении температуры. Наибольшое снижение емкости при низких
температурах наблюдается у никель-железных аккумуляторов и минимальное
снижение - у никель-кадмиевых со спеченными электродами и у свинцовых
аккумуляторов. Высокую удельную мощность можно получить от никелькадмиевых аккумуляторов, свинцовых (стартерных и герметизированных), никельцинковых и серебряно-цинковых аккумуляторов. Невысокую удельную мощность
имеют никель-железные аккумуляторы. Удельная массовая энергия минимальна у
свинцовых аккумуляторов и максимальна у литиевых аккумуляторов. Наибольшую
наработку
имеют
никель-водородные
аккумуляторы,
низким
ресурсом
характеризуются серебряно-цинковые и никель-цинковые аккумуляторы. Следует
отметить, что по мере циклирования уменьшаются емкость, напряжение и
соответственно удельная энергия аккумуляторов, причем скорости понижения
удельной
энергии
у
разных
аккумуляторов
существенно
различаются.
В
наименьшей степени снижаются емкость и энергия при циклировании Ni-Cd
аккумуляторов. Наработка зависит от многих причин и прежде всего от глубины
разряда. Наиболее высокая скорость саморазряда отмечается у никель-водородных и
никель-железных
аккумуляторов,
наименьшая
-
у
серебряно-кадмиевых
и
серебряно-цинковых аккумуляторов. К наиболее дешевым принадлежат свинцовые
аккумуляторы, к наиболее дорогим - никель-водородные, серебряно-кадмиевые и
серебряно-цинковые аккумуляторы.